蔡有京,許光泉

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南232001）

0 引言

自徐州市張雙樓煤礦于1987年發(fā)生副井井壁破裂事故以來，我國華東地區(qū)厚表土層煤礦出現(xiàn)數(shù)十處井筒偏斜破裂事故，嚴(yán)重影響煤礦生產(chǎn)。多年來，眾多學(xué)者針對(duì)這種井筒偏斜破裂現(xiàn)象展開原因分析與治理修復(fù)的研究，并且取得良好成果。在原因分析研究上：崔廣興根據(jù)自張雙樓煤礦立井偏斜破裂事故發(fā)生以來十年類似事故的研究，發(fā)現(xiàn)該類事故皆因厚表土層煤礦松散層底部含水層失水引起[1]經(jīng)來旺通過松散層疏水沉降模型試驗(yàn)研究井筒所受應(yīng)力的變化規(guī)律，進(jìn)一步分析松散層底部含水層水位變化與井筒偏斜破裂對(duì)應(yīng)關(guān)系[2]劉環(huán)宇根據(jù)兗州礦區(qū)井筒偏斜破裂事故的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，通過數(shù)值模擬，計(jì)算土體滲流壓縮變形量，從水體與土、土體與井筒相互作用分析兗州礦區(qū)井筒偏斜破裂機(jī)制[3]在治理修復(fù)研究方面，張文泉根據(jù)井筒偏斜破壞機(jī)制，從井壁、地層、水頭三方面，提出不同治理思路，并對(duì)比研究各種技術(shù)優(yōu)劣性[4];邱集煤礦通過破壁注漿技術(shù)，修復(fù)井筒破裂突水，成功降低井筒涌水量;嶺煤礦南風(fēng)井通過地面注漿成功修復(fù)井筒破裂，封堵涌水，避免了經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步損失。

本文以山東某礦風(fēng)井偏斜井筒為例，通過井筒結(jié)構(gòu)、井下開采、井筒周邊地層特征三個(gè)角度綜合分析偏斜原因，并對(duì)治理修復(fù)進(jìn)行初步探究。

1 地層概況

山東某礦現(xiàn)階段主要開采煤層為3煤層（主要為3下煤層），礦區(qū)內(nèi)均被新生界巨厚松散層覆蓋，厚度達(dá)570 m左右，屬于典型的厚表土層煤礦。根據(jù)鉆孔揭露，新生界新生界松散層段含、隔水層共有為5段，具體情況見表1：

表1 含、隔水層具體概況

2 井筒偏斜原因分析

山東某礦隨著的開采，風(fēng)井自投產(chǎn)后，地面沉陷監(jiān)測(cè)站發(fā)現(xiàn)井筒周邊地面發(fā)生不均勻沉陷且井筒發(fā)生偏斜。其中：井筒向西北方向偏斜，偏斜主要層段為松散層段，偏斜量為335 mm。本文根據(jù)井筒結(jié)構(gòu)、井下開采與井筒地層特征三方面分析偏斜原因，現(xiàn)分析如下：

2.1 井筒結(jié)構(gòu)

如圖1所示，風(fēng)井井筒松散層段以及部分基巖段采用凍結(jié)法施工。凍結(jié)法施工通過對(duì)井筒周邊地層布設(shè)凍結(jié)孔進(jìn)行地層加固凍結(jié)，以抵抗地下水與土體壓力，隔絕水體聯(lián)系，但在井筒建設(shè)完畢后，井筒附近的凍結(jié)孔會(huì)停止凍結(jié)，當(dāng)凍結(jié)圈內(nèi)地層發(fā)生融凍后，井筒周邊地下水會(huì)由靜水變?yōu)閯?dòng)水形式，“底含”水體通過下部發(fā)育的縱向裂隙，以及被凍結(jié)孔貫通的井下建筑物與井壁進(jìn)行入滲，使得“底含”水位降低，壓力下降，造成地層發(fā)生不均勻沉降。

圖1 風(fēng)井井筒結(jié)構(gòu)圖

2.2 井下開采

山東某礦自投產(chǎn)以來，采區(qū)工作面不斷增加，礦區(qū)工業(yè)疏排水量日益增大，該礦自2009 年生產(chǎn)后，礦井涌水疏放量由50 m3/h達(dá)到現(xiàn)今的500～600 m3/h，由于疏放水體與“底含”水體存在一定水力聯(lián)系，在疏排煤層頂板水體的同時(shí)，存在部分“底含”水體疏排。根據(jù)2009年該礦主井巷道掘進(jìn)時(shí)頂板冒落事故的調(diào)查，調(diào)查發(fā)現(xiàn)：事故發(fā)生時(shí)礦井涌水量達(dá)300 m3/h，因未及時(shí)治理，連續(xù)5年出水，總出水量達(dá)1 300 萬m3。根據(jù)對(duì)突水水體進(jìn)行水質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)突水水樣為混合水體，其水樣中包含松散層底部含水層水體。此調(diào)查也印證該礦在疏排煤層頂板水體時(shí)，有部分“底含”水體發(fā)生流失。

2.3 井筒地層特征

風(fēng)井井筒位于向斜軸部東側(cè)附近，受軸部構(gòu)造應(yīng)力作用相對(duì)集中，根據(jù)風(fēng)氧化帶超聲波探測(cè)技術(shù)，檢驗(yàn)孔在松散層下部基巖段發(fā)現(xiàn)11條以南北方向?yàn)橹鞯膹埿粤严?，且連通性較好，可作為導(dǎo)水通道。另外由于“底含”直接覆蓋于下部風(fēng)氧化帶含水層上，風(fēng)氧化帶受氧化影響，縱向風(fēng)化裂隙較為發(fā)育，在對(duì)下部風(fēng)氧化帶砂巖含水層勘探中，發(fā)現(xiàn)部分漏水點(diǎn)，漏水率達(dá)58.3 %，且漏水位置皆為風(fēng)氧化帶與斷層附近，因此“底含”水體極易通過構(gòu)造裂隙與風(fēng)化裂隙進(jìn)入下部含水層，另外由于“底含”水流方向自東向西流動(dòng)且流速大，風(fēng)井井筒受水力沖擊作用向水流運(yùn)動(dòng)方向偏斜。

3 治理研究

3.1 治理思路與技術(shù)

本著不影響礦井生產(chǎn)、保證礦區(qū)工作人員生命安全以及長(zhǎng)期治理修復(fù)的原則，根據(jù)上文山東某礦偏斜原因分析，修復(fù)治理可從井壁、水體、土體三個(gè)方面入手[4]。

對(duì)于井壁而言，一般通過增加井壁自身強(qiáng)度和提高抵抗地層受力變形能力的方法來加固井壁，現(xiàn)有方法是向內(nèi)部井壁變形最大地段安裝卸壓槽以及增加井壁壁厚的方法進(jìn)行治理，其技術(shù)在鮑店煤礦北風(fēng)井取得良好效果。但由于山東某礦僅有一風(fēng)井，為不影響生產(chǎn)，并且卸壓槽隨井壁下沉要隨時(shí)檢修管道，相對(duì)費(fèi)時(shí)，故不能適用于該礦治理；而針對(duì)水體治理，一般通過人工注水維持偏斜前水位的方法，花費(fèi)太高且影響生產(chǎn)，故不太適用于工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)井筒修復(fù)；然而針對(duì)土體變形治理井筒偏斜，注漿技術(shù)通過加固松散地層，改變地層巖性，封堵地下水水力通道的方法取得較大成功，施工方案較為可行?，F(xiàn)有的礦井注漿修復(fù)技術(shù)分為地面注漿與破壁注漿兩種注漿措施，且二者各有優(yōu)劣性[4]。

破壁注漿法是在井筒內(nèi)部施工，通過井壁向外側(cè)打孔注漿，優(yōu)點(diǎn)在于可有效地觀察到破裂部位，并且花費(fèi)較少，可快速注漿加固；但是由于井筒內(nèi)部施工危險(xiǎn)性較高，操作難度大，影響礦井生產(chǎn)，且在20世紀(jì)80年代，采用破裂注漿技術(shù)針對(duì)張雙樓煤礦主、副井偏斜破裂，雖當(dāng)時(shí)治理效果較好，但沒過多久便發(fā)生內(nèi)壁土體剝落，井筒涌水等現(xiàn)象，因而破壁注漿技術(shù)更適用于井筒嚴(yán)重破裂緊急搶修堵水的情況，而不能作為主要的井筒注漿修復(fù)手段[5]。相反地面注漿法由于在地面開設(shè)鉆孔對(duì)井筒周邊地層進(jìn)行加固，不影響礦井生產(chǎn)，且地面施工安全性較高，加固效果長(zhǎng)久可靠，雖花費(fèi)成本較高，技術(shù)難度較大，但較為專家認(rèn)可。根據(jù)山東某礦偏斜情況，綜合考量認(rèn)為地面注漿法修復(fù)井筒偏斜較為可行。

3.2 檢驗(yàn)孔地面注漿試驗(yàn)

為驗(yàn)證地面注漿技術(shù)實(shí)際可行性，山東某礦風(fēng)井井筒旁檢驗(yàn)3孔進(jìn)行了一次地面注漿試驗(yàn)。

本次地面注漿由于注漿地層為孔隙含水層，孔徑較小，采用顆粒較細(xì)的水泥漿材。此次注漿采用自下而上式注漿法。

地面注漿試驗(yàn)歷時(shí)一個(gè)月，松散層各含水層段均進(jìn)行注漿。檢驗(yàn)孔地面注漿試驗(yàn)完成后，根據(jù)地面監(jiān)測(cè)站觀測(cè)：井筒旁觀測(cè)點(diǎn)在注漿后12天，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位向偏斜反方向運(yùn)動(dòng)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均修復(fù)位移量為49 mm，風(fēng)井現(xiàn)偏斜348 mm，偏斜修復(fù)量完成14 %，修復(fù)效果顯著。

此次地面注漿試驗(yàn)表明：地面注漿修復(fù)實(shí)際可行，且修復(fù)成果較為可觀，可以為后續(xù)正式地面注漿修復(fù)工程以及其他該類型治理工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

4 總結(jié)

根據(jù)此次對(duì)山東某礦立井井筒偏斜情況，通過對(duì)立井井筒偏斜原因分析以及修復(fù)治理技術(shù)的初步探究，得出以下結(jié)論：

（1）影響山東某礦井筒偏斜主要層段為松散層，且主要向西偏斜。

（2）風(fēng)井偏斜主要由于凍結(jié)松散層段發(fā)生融凍，“底含”水體通過凍結(jié)孔孔壁以及下部風(fēng)化裂隙與構(gòu)造裂隙向下部巖層滲入，根據(jù)有效應(yīng)力原理，地層應(yīng)力增加，地層壓縮導(dǎo)致井筒發(fā)生偏斜，且由于“底含”向西流動(dòng)且水力坡度較大，所以井筒主要向西側(cè)偏斜。

（3）地面注漿針對(duì)山東某礦偏斜修復(fù)工程較適用，檢驗(yàn)孔地面注漿試驗(yàn)較為成功，后續(xù)正式地面注漿可以借鑒經(jīng)驗(yàn)。

[1]崔廣心.特殊地層條件豎井井壁破壞機(jī)理及防治技術(shù)[J].煤田地質(zhì)與勘探,2005,33(03):28-32.

[2]經(jīng)來旺等.礦區(qū)表土疏水沉降機(jī)理及其與井壁破裂的關(guān)系[J].建井技術(shù),1998,20(01):61-64.

[3]劉環(huán)宇，陳衛(wèi)忠,王爭(zhēng)鳴.兗州礦區(qū)立井井筒破壞機(jī)制的理論分析[J].巖石力學(xué)與工程力學(xué)學(xué)報(bào)，2006,26(07):2620-2626.

[4]張文泉,張永雙等.煤礦立井井壁破裂的機(jī)制及防治措施[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2011,12(04):13-17.

[5]葛曉光.地面與破壁注漿治理井壁破裂災(zāi)害的工程分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2002,27(01):41-44.